Grafeno nº6 | março 2023

no 6 | março 2023

USO DE GRAFENO EM PROJETOS DE SUPERFÍCIES INTELIGENTES RECONFIGURÁVEIS

APLICADAS À TECNOLOGIA 6G

FERRAMENTAS DE ENGENHARIA A FAVOR DO DESENVOLVIMENTO: DIREÇÃO VERSUS AGILIDADE

PRIMEIRA REUNIÃO DO FÓRUM GRAFENO DO ANO DE 2023

PROTAGONISTA NA DISCUSSÃO SOBRE O USO DO GRAFENO

O IPEN: DA METALURGIA NUCLEAR AO GRAFENO

REVESTIMENTOS DE EPÓXI DO TIPO FUSION BONDED (FBE)

MODIFICADO COM ÓXIDO DE GRAFENO REDUZIDO PARA A

PROTEÇÃO DE TUBULAÇÕES METÁLICAS

EQUIPE URUBUS AERODESIGN

Simpósio

SAE BRASIL de

GRAFENO 2023

GRAFENO, o material da sustentabilidade.

08 de agosto de 2023

Milenium Centro de Convenções

Vila Clementino, São Paulo

O grafeno é um dos materiais que mais responde aos desafios atuais da sustentabilidade. No evento, setores envolvidos na cadeia de produção e aplicação do grafeno irão apresentar as novidades em aplicações e formas de se avaliar os padrões de garantia de sua qualidade.

O futuro é agora!

E nele a sustentabilidade é essencial! O evento contará com palestras e debates que apresentarão soluções práticas que podem ser implementadas diretamente no processo de produção e na alavancagem do desenvolvimento de novos produtos para a mobilidade no Brasil e no mundo.

Marque na agenda e participe!

Patrocine. Entre em contato e saiba como a sua empresa pode participar

Valéria de Lima (11) 3142-3482

valeria.lima@saebrasil.org.br

Patrocínio Diamante

Patrocínio Ouro

Realização

conteúdo | no 6 | março 2023

SF Editora é uma marca da Aprenda Eventos Técnicos Eireli (19) 3288-0437

Rua Ipauçu, 178 - Vila Marieta, Campinas (SP) www.sfeditora.com.br

Marco Antonio Colosio Editor Chefe, marcocolosio@gmail.com

Leandro Antunes Berti Co-editor Chefe, www.leandroberti.com.br

Udo Fiorini Publisher – Diretor Comercial, udo@sfeditora.com.br • (19) 99205-5789

Marcelo Alexandre Tirelli Direção Técnica, dr.marcelotirelli@gmail.com

Camila Boldrini Nascimento Coordenação Técnica Estudantil, camila.nascimento@fsa.br

Geisi Barreto Direção de Marketing, geisi.barreto@gmail.com

Mariana Rodrigues Redação – Diagramação, marianar205@gmail.com • (19) 3288-0437

Jéssica Carboni Vendas, jessica@grupoaprenda.com.br • (19) 3288-0437

Editorial 6

Na rota certa do crescimento do grafeno por Marco Antonio Colosio Caros leitores, a sexta edição da Revista Grafeno marca o início do ano de 2023 e coloca em prática a “Revista Grafeno de Cara Nova”, slogan escolhido para alinhar as expectativas da comunidade brasileira de grafeno.

Coluna 7

Adesivos condutores de alto desempenho: fazendo Lego com grafite e grafeno por Fernando Galembeck

Ografeno tem dominado o cenário de novos materiais, porque suas propriedades e perspectivas de aplicação despertam muito interesse de empresas inovadoras, há mais de uma década, prometendo soluções para problemas importantíssimos.

Coluna 9

Paradoxo da demanda por profissionais inexistentes versus falta de emprego formal por Erwin Franieck

Participando em diversas associações, empresas, e fóruns percebemos que existe uma clara percepção que existem dezenas de milhares de vagas no Brasil que não são preenchidas pois não se encontram profissionais com a formação adequada.

ARTIGOS

Ferramentas de Engenharia a Favor do Desenvolvimento:

10 por Eduardo Nunes

Você já se perguntou qual o propósito da sua vida? Se o propósito da sua vida está alinhado com o propósito da empresa em que você trabalha? Ou qual o propósito da atividade que você está executando neste momento? Equipe

13 por Viviane Myuki Majima

Urubus Aerodesign é a equipe que representa a UNICAMP (Universidade Estadual de Campinas) na competição anual SAE BRASIL Aerodesign há mais de 20 anos, participante desde as primeiras edições.

Uso de Grafeno em Projetos de Superfícies Inteligentes

por F. H. S. Fonseca; Gustavo Morais; Gabriel Clemente e Cesar Pagan Nesses últimos anos com os avanços na indústria de tecnologia de radiofrequências houve uma mudança robusta nas características dos transmissores, como por exemplo, a inserção dos sistemas MIMOs e o uso da formação de feixe.

16

21 por Jesualdo Luiz Rossi e Rubens Nunes de Faria Jr.

O IPEN: da metalurgia nuclear ao grafeno

O Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) é uma autarquia vinculada à Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação (SCTI) do Governo do Estado de São Paulo e gerida técnica e administrativamente pela Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), órgão do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI), do Governo Federal

Revestimentos de epóxi do tipo fusion bonded (FBE) modificado com óxido de grafeno reduzido para a proteção de tubulações metálicas

24 por Felipe da Silva Medeiros e Glaura Goulart Silva

Os impactos de corrosão em materiais metálicos constituem um grande desafio a ser enfrentado ainda na atualidade. Revestimentos epóxi são frequentemente utilizados para o fim de proteção à corrosão por suas características de resistência química e adesão ao metal.

o Brasil como protagonista na discussão

Foi realizada na sexta-feira (24/03/2023), com transmissão online, a primeira reunião do ano de 2023 do “Fórum Grafeno” iniciativa do Inmetro, onde um grupo de trabalho formado por especialistas brasileiros na temática “grafeno” se reúnem trimestralmente para discutir e propor soluções tecnológicas à aspectos metrológicos, que dificultam a ampla produção e comercialização do grafeno e derivados pela indústria brasileira.

Verder Scientific Science for Solids

Durômetro universal QNESS 200 CS ECO. Design compacto - TECNOLOGIA DE PONTA. Range de força: 0,5 kg a 187,5 kg. Duas versões de equipamentos para atender a todas as aplicações e tamanhos de peças. Medição direta por profundidade com resolução de 0,05μm. Estrutura robusta em aço. Escalas BRINELL, ROCKWELL, VICKERS, KNOOP

https://www.qatm.com/

O TRATAMENTO TÉRMICO PARA GRAFITIZAÇÃO. O processo de Grafitização por tratamento térmico até 3000°C sob atmosfera inerte. O material de carbono original consiste em vários pequenos domínios de moléculas de grafeno chamadas unidades estruturais básicas (BSU). Durante o tratamento térmico todas as diferenças na orientação das camadas são eliminadas e grandes camadas retas são formadas. Forno HTK 25 GR/30 até 3000°C com debinding para processos de pirólise e grafitização. https://www.eltra.com/;.

https://www.qatm.com/

Verder Scientific Comércio de Equipamentos Ltda. Rua Continental, 146. CEP 09750-060. São Bernardo do Campo. São Paulo. Brasil +55 11 4391 4145 contato@verder-scientific.com.br

Entre em contato conosco e descubra a infinidade de possibilidades para o mercado brasileiro de materiais.

Na rota certa do crescimento do grafeno

Caros leitores, a sexta edição da Revista Grafeno marca o início do ano de 2023 e coloca em prática a “Revista Grafeno de Cara Nova”, slogan escolhido para alinhar as expectativas da comunidade brasileira de grafeno.

Quando idealizamos a estratégia para 2023, pensamos em alcançar um maior número de participantes e apoiadores para que a nossa mensagem atinja até os locais mais distantes em nosso território e confirmo que está sendo desta forma que continuaremos no foco de nossos propósitos.

Uma iniciativa que começamos a praticar este ano foi o uso das redes sociais com a criação do site Revista Grafeno no Linkedin (1) e já estamos vendo resultados emocionantes de novos leitores, todos sendo monitorados nas métricas do site; o nosso crescimento de acessos está atingindo valores excelentes de participação, resultado de uma ampla divulgação de nossos colaboradores e pela qualidade que estamos colocando em nossas publicações.

Ao mesmo tempo que crescemos na mídia, atingimos um maior protagonismo na área; neste ano corrente, já definimos a criação do Simpósio Grafeno da SAE BRASIL, o qual vai ser realizado junto com o Simpósio de Novos Materiais e Aplicações na Mobilidade. Esta união faz parte da conexão dos temas que, de certa forma, estão alinhados no setor e porque não dizer que o grafeno também é um material novo e faz parte da programação dos dois eventos. Vejam ainda nesta edição o flyer de divulgação do simpósio Grafeno e entendam como será esta união de esforços e compartilhamento de espaço e apoiadores.

Também estamos avançando em caminhos diversos na área de grafeno, como por exemplo na propagação do conhecimento junto com a iniciativa do Grupo Grafeno do Inmetro, grupo que está dedicando esforços para tornar esta tecnologia regulável, confiável e controlável, a partir da criação de conceitos e procedimentos visando a viabilização da comercialização em massa do grafeno, aproveitem e vejam nesta edição o artigo do Inmetro. Mas o trabalho será enorme e por isso, qualquer apoio neste tema será muito bem-vindo e todos estão convidados para participar.

A sexta edição da revista conta com temas diversos de colunistas e artigos técnicos voltados para o setor, e nesta edição em específico com um caráter industrial. Um tema muito interessante é o de segurança ocupacional relacionada ao manuseio dos nanomateriais, artigo publicado pelo Dr. Marcelo Tirelli; ainda pouco se sabe das implicações técnicas e dos EPIs recomendados para proteção, mas estamos certos de que a evolução do grafeno se dará junto com os avanços neste campo de proteção ocupacional. Hoje sabemos que as máscaras tradicionais não são eficazes para barrar partículas da ordem de grandeza em nanômetros e também os efeitos que estas partículas podem causar nos seres vivos. Os estudos estão abordando o seu processamento, manuseio, mistura, lixamento, corte, reciclagem e o ambiente industrial onde se manuseia produtos com grafeno.

Em adicional, como sempre dedicamos em nossas edições, a publicação de uma atividade estudantil brasileira, pilar importante da nossa iniciativa e espaço para divulgação dos futuros engenheiros, mostrando suas

habilidades em lidar com situações adversas do meio; na edição presente, assistiremos um grupo da UNICAMP focado no estudo do aerodesign da SAE BRASIL; vamos prestigiar esses garotos(as), orgulhos da geração técnica que está vindo. Também apresentaremos o grupo Eldorado, ICT localizada em Campinas, que despontou na comunidade do setor eletroeletrônico, pilar importante dos campos da mobilidade e do futuro da conectividade e eletrificação brasileira, e em paralelo e para dar maior vazão na divulgação das ICTs brasileiras, vamos apresentar o IPEN – Instituto de Pesquisas Energéticas de São Paulo, com ênfase na área de materiais, unidade responsável por lidar com os materiais de fronteiras nos setores industriais e de saúde, e por isto merece uma atenção especial, sendo um deles o grafeno utilizado em capacitores, tema que publicaremos em uma futura edição da revista, não percam estes artigos. Minha mensagem para este ano é enfatizar a nossa paixão presente em um campo de grande relevância ao nosso país e que tem tudo a ser um produto de diferencial brasileiro, por isto, vamos manter a chama acessa e porque não dizer: “ vamos colocar lenha na fogueira”. Aproveitem esta edição repleta de material de primeira linha e continuem acreditando em nosso trabalho, a próxima edição será no final de junho e focaremos no setor da mobilidade, aquele que posso dizer com propriedade, temos muito que fazer neste presente-futuro.

Mentor do Núcleo Grafeno da SAE BRASIL. Diretor da Regional São Paulo da SAE BRASIL. Engenheiro Metalurgista e Doutor em Materiais pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares-USP, pós-doutorado pela EESC-USP. Professor titular do curso de Engenharia de Materiais da Fundação Santo André e professor da pós-graduação em Engenharia Automotiva do Instituto de Tecnologia Mauá. Colaborador associado da SAE BRASIL com mais de 35 anos de experiência no setor automotivo nos campos de especificações de materiais, análise de falhas, P&D e inovações tecnológicas.

Marco Antonio Colosio marcocolosio@gmail.com

QR code do site da Revista Grafeno no Linkedin

Adesivos condutores de alto desempenho: fazendo Lego com grafite e grafeno

Ografeno tem dominado o cenário de novos materiais, porque suas propriedades e perspectivas de aplicação des pertam muito interesse de empresas inovadoras, há mais de uma década, prometendo soluções para problemas importantíssimos.

O grafeno sempre esteve por aí, empilhado dentro do grafite em lápis, lubrificantes, baterias, tintas e outros produtos industriais. Tornou-se um material notável ao se descobrir que é possível sepa rar uma única camada de grafeno, arrancando-a do cristal de grafite com uma fita adesiva. Isto é possível porque a força de adesão entre uma camada de grafeno e o adesivo é maior que entre duas camadas de grafeno adjacentes. Mas não podemos esperar que as aplicações do grafeno sejam viabilizadas usando esse método da fita adesiva.

Ao se tentar dividir um cristal de grafite em suas lâminas de grafeno, forma-se lâminas individuais, e também partículas formadas por 2, 3, 4 e mais camadas, cujas propriedades mudam sucessivamente, até atingir as propriedades de grafite. São materiais diferentes, todos eles comumente chamados de grafeno, o que causa confusão.

Situações como essa exigem uma normatização, e em 20171 a ISO dedicou a parte 13 do seu Vocabulário de nanotecnologias ao grafeno e os outros materiais bidimensionais. Essa norma traz as seguintes definições: (i) grafeno: camada única; (ii) bicamada de grafeno: duas camadas empilhadas e bem alinhadas; (iii) grafeno de poucas camadas: 3 a 10 camadas; (iv) nano placa de grafeno: espessura de 1 a 3 nanômetros (nm) e dimensões laterais de 100 nm a 100 microns. Materiais de dimensões superiores a essas são grafites, que também apresentam uma grande diversidade de tipos e propriedades.

No Brasil, a ABNT divulgou recentemente a primeira norma brasileira sobre grafeno e vários grupos de pesquisa, acadêmicos e de empresas, fazem avançar a ciência do grafeno e dos materiais correlatos e criam novas tecnologias. Cientistas brasileiros produziram artigos publicados com destaque na literatura internacional e vários projetos buscam aproveitar as oportunidades oferecidas pelo grafeno criando produtos e processos. É inovação para a competitividade e sustentabilidade, criadora de empregos e riqueza.

Nesse ponto surge um problema de escala ou de tamanho dos produtos construídos com grafeno, exemplificado pelo seu comportamento como condutor elétrico. A baixa resistividade elétrica

1 International Organization for Standardization (ISO), in Nanotechnologies –Vocabulary – Part 13: Graphene and Related Two-Dimensional (2D) Materials, BSI Standards Publication, London, UK 2017

de grafeno é igual à da prata, o melhor condutor elétrico. Mas a resistência elétrica de qualquer material também depende das suas dimensões e geometria, e as finas lâminas de grafeno têm resis-

Figura 1. As quatro fotos superiores são micrografias eletrônicas de varredura de filmes secos do esmalte e da pasta, em dois aumentos diferentes. A terceira linha mostra um filme seco de uma cola condutora comercial muito usada, mas em pequenos aumentos, porque a eletrização das amostras impede a formação de imagens com aumentos maiores.

tência elétrica muito elevada para várias aplicações. Esse problema é resolvido nos condutores de cobre, alumínio e outros metais aumentando o diâmetro dos cabos e fios, uma solução não-aplicável ao grafeno, porque a sua resistividade aumenta até alcançar a do grafite, nas partículas mais espessas.

Portanto, as partículas muito finas são realmente valiosas em produtos de dimensões nanométricas ou em materiais nano-estruturados contendo as finíssimas lâminas de grafeno. Mas muitas aplicações do dia-a-dia exigem a sua presença em estruturas formadas por muitas e muitas partículas empilhadas.

Em algumas situações, as propriedades de grafite são até mais desejáveis que as de grafeno. Por exemplo nos eletrodos de baterias elétricas, nos quais se alojam íons de lítio e outros metais, intercalando-se entre lâminas contíguas. Nesses casos, o empilhamento das lâminas de grafeno é essencial para o funcionamento das baterias. Mas ainda é necessário moldar o material, construindo estruturas que tenham formas e dimensões bem definidas.

Em metais, cerâmicas e plásticos, isso se faz usando tecnologias que dependem da fusão ou sinterização do material, além da sua plasticidade e ductilidade. Mas grafenos e grafite só sinterizam ou fundem em temperaturas muito elevadas e não são facilmente deformáveis, exceto quanto ao deslizamento de suas lâminas, umas sobre as outras. Uma estratégia para moldar grafite é dispersar seus cristais em líquidos que separem as lâminas, formando partículas de grafeno e de nano-grafites. A evaporação dos líquidos produz filmes e objetos de dimensões macroscópicas2. Uma outra abordagem é a produção de grafeno in situ, revestindo superfícies, paredes de poros ou ainda formando camadas finíssimas em superfícies líquidas, de onde podem ser transferidas para os locais desejados. Um bom exemplo desta última abordagem é apresentado em uma tese de doutorado defendida na Universidade Federal do Paraná3 e em artigos científicos em revistas importantes.

A esfoliação em líquidos, seguida de sua secagem formando filmes extensos ou blocos de grafite está produzindo resultados muito interessantes. É como montar um LEGO: as peças são combinadas para se conseguir os tamanhos e formas desejados. No LEGO isso é feito peça a peça e pode gastar muito tempo. Isso é inviável, na montagem dos milhões de milhões de lâminas de grafeno e nano-grafites que são necessários para alcançar dimensões macroscópicas. Nesse caso, temos de conhecer e aplicar as regras de auto-organização de partículas coloidais. Temos de trabalhar com a Natureza, explorando o que ela nos oferece.

E os resultados vão surgindo. Um caso atual é a produção de adesivos condutores elétricos com excelente desempenho. A figura mostra micrografias eletrônicas de filmes formados na secagem de uma cola condutora (pasta e esmalte) que deverá ser colocada à venda, dentro de algumas semanas. É feita com grafite esfoliado e reorganizado (exfoliated and reassembled grafite, ERG). Os contrastes observados nas fotos são os esperados de um filme

condutor quando ele é bombardeado pela corrente de elétrons, no microscópio eletrônico. A figura também mostra duas micrografias de uma cola que é vendida por um fornecedor internacional de materiais para microscopia para microscopistas de todo o mundo. As duas imagens mostram extensas regiões muito claras e outras muito escuras, mesmo com pequenos aumentos. As muito claras são regiões pouco condutoras, nas quais se acumulam elétrons do feixe. As muito escuras são regiões mais condutoras. Essa falta de uniformidade provoca a eletrização do filme de cola, com várias consequências negativas. A pior é a instabilidade da amostra, evidenciada pelas linhas muito retas que resultam de deslocamentos abruptos da amostra e impedem a aquisição de imagens em aumentos maiores que os observados. Em casos extremos pode ocorrer a ejeção de pedaços da amostra devido à repulsão eletrostática . No limite, a amostra explode e suja paredes internas do microscópio.

Portanto, o novo produto é muito superior a um produto popular no mercado. Como isso é conseguido? É graças à distribuição uniforme a à excelente conexão elétrica entre as lâminas formadas pela esfoliação e reorganização de grafite, em um processo intermediado por grafenos e nanografites.

Nota: Observar atentamente os detalhes das fotos e procurar entende-los vale por uma aula sobre a eletrização de materiais, mas isto vai além do escopo desta coluna.

Fernando Galembeck

É bacharel, licenciado e doutor em Química pela USP onde começou sua carreira e chegou a livredocente em 1977, depois de pós-doutorados nas Universidades do Colorado e da Califórnia e de um estágio no Unilever Research Port Sunlight Laboratory. Mudou-se para a Unicamp em 1980, tornando-se professor titular em 1987. Dirigiu o Instituto de Química entre 1994 e 1998, foi Coordenador Geral da Universidade e se aposentou em 2011, assumindo a direção do Laboratório Nacional de Tecnologia, do CNPEM. Sempre manteve uma atividade ninterrupta e intensa de ensino de graduação e de orientação de estudantes, expressa em uma extensa produção científica e tecnológica que foi premiada em muitas ocasiões, no Brasil e Exterior, destacando-se os prêmios Álvaro Alberto em 2005 e o prêmio Anísio Teixeira de Educação, em 2011. Em 2020, recebeu o Prêmio CBMM de Tecnologia, a sua startup Galembetech recebeu prêmios da Abiquim e Abrafati e em 2021 foi premiado como Pesquisador Emérito do CNPq. Muitos dos seus estudantes destacaram-se profissionalmente, em universidades e empresas, no Brasil e no Exterior, sendo também premiados em muitas ocasiões.

2 Elisa S. Ferreira, Uso de soluções alcalinas de celulose: adesivo repolpável e esfoliação de grafite, Dissertação de Mestrado, Unicamp, 2016.

3 Rodrigo V Salvatierra, Filmes finos de polímeros conjugados e nanoestruturas de carbono obtidos em interfaces líquido-líquido: síntese, caracterização e aplicação em dispositivos fotovoltaicos. Tese de Doutorado, UFPr, 2014..

Paradoxo da demanda por profissionais inexistentes versus falta de emprego formal

Participando em diversas associações, empresas, e fóruns percebemos que existe uma clara percepção que existem dezenas de milhares de vagas no Brasil que não são preenchidas pois não se encontram profissionais com a formação adequada, principalmente no que tange as demandas pela transformação digital, automação industrial, cadeias internacionais, novos materiais, como Grafeno, Semicondutores, compostos de nióbio, Lítio, entre outras demandas que estão sendo colocadas em prática na indústria.

Por outro lado, acompanhamos uma série de profissionais que passaram por tantas transformações tecnológicas estes último 40 anos, que com certeza estariam aptos a passarem por mais uma série delas, além dos jovens que vêm passar a sua frente uma miríade de possibilidades e mudanças no espaço de trabalho digital, perdendo o elo com as atividades que ocorrem em locais específicos, como Indústria, Laboratórios de pesquisa, centros produtivos, entre outros espaços de agregação de recursos humanos.

Onde podemos encontrar alternativas que podem servir de referência para entendermos como reorganizar nosso sistema de ensino e formação de jovens e continuada?

Certamente existem empresas, das quais venho acompanhando e estudando os seus sucessos em promover uma evolução continua nos seus produtos, na formação dos seus recursos humanos e na sua persistência de propósito. Como exemplo, menciono algumas emblemáticas, como EMBRAER, Robert BOSCH, WEG, entre outras. Todas tiveram um líder inspirador que, antes de mais nada, promoveu a criação de uma escola de formação de recursos humanos desde os primórdios, em que a própria escola já era o portão de entrada nas empresas.

Atraia-se os candidatos para a formação com uma clara percepção de visão de mundo, que se mostrava atrativa para os mais engajados com os propósitos das empresas e que buscavam um futuro melhor.

Os próprios professores e diretores estavam muito ligados aos objetivos de formação da escola. Enfim, a preocupação destas empresas desde os seus primeiros passos, em atrair e formar pessoas engajadas e com os conhecimentos integrados dentro de um objetivo comum são o segredo deste sucesso.

Podemos constatar pelo exemplo do crescimento da industrialização do ABC Paulista nos anos 60, onde as grandes multinacionais se uniram para estabelecer Escolas Técnicas e Universidades que preparassem jovens para ingressarem no mercado de trabalho fazendo do ABC um polo de atração de muitas indústrias, que foi o berço do crescimento vertiginoso da indústria.

Porém foi uma iniciativa conectada com os grandes investimentos que o Brasil atraiu naquele momento e sua governança na época não havia se vinculado com as estratégias de renovação

e evolução deste parque industrial que se criou e após 20 anos começou a demonstrar sinais de perdas e as entidades de formação criadas foram passadas para o Poder público, como Fundação Paula Souza, SENAI, entre outras.

Entendemos que a dimensão de transição que estamos passando, denota uma demanda por um esforço maior em aproximar os gestores das indústrias, que possuam uma percepção clara dos gaps atuais e que consigam junto com os agentes públicos de suas cidades, promover uma discussão estratégica focada na aproximação com o sistema educacional, que em conjunto com o SENAI e as demais escolas de formação, possam juntas trabalhar na formação vocacionada, com foco na transformação do sistema produtivo, sem perder o elo de ligação com as bases estratégicas das empresas envolvidas.

Erwin Franieck franieck@unicamp.br

019 982051122

Engenheiro Mecânico de Projetos pela UNICAMP, professor e chefe do Colégio Técnico da UNICAMP, atuou por 35 nos na Bosch em Campinas, onde se aposentou como diretor de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação.

FERRAMENTAS DE ENGENHARIA A FAVOR DO DESENVOLVIMENTO: DIREÇÃO VERSUS AGILIDADE

por Eduardo Nunes

Você já se perguntou qual o propósito da sua vida? Se o propósito da sua vida está alinhado com o propósito da empresa em que você trabalha? Ou qual o propósito da atividade que você está executando neste momento? O quanto tal atividade está alinhada com o propósito da empresa ou da sua vida? Qual é o valor que ela irá agregar para os possíveis clientes, internos e externos? Será que a atividade esta priorizada adequadamente ou possivelmente teria outra atividade que entregaria maior valor aos clientes com menor esforço para implementação neste momento?

Na minha jornada na função de solucionador de problemas complexos, muitas vezes por falta de clareza, coloquei esforço no lugar errado e consequentemente o benefício esperado não foi atingido, ou atingido parcialmente. Também presencie, em diversas empresas, frequentemente times trabalhando em projetos que não eram os mais importantes para a empresa, cuja direção foi dada por alguém que não havia dados suficientes no momento e agiu pela intuição. Porém

quando os dados foram levantados, ficou claro que havia outros projetos que, segundo o critério maior benefício com menor esforço de implementação, eram muito mais impactantes para o negócio.

Em análise de falha é como querer encontrar a solução do problema sem conhecer a causa raiz. Na medicina idem, tomar remédio sem saber a causa dos sintomas. Para um navegador, ir aonde o vento soprar sem saber o destino. Quando não se sabe o destino, a agilidade pode levar mais rapidamente para mais longe de onde realmente seria melhor estar.

Didaticamente, a identificação de possíveis projetos pode vir de 3 famílias de fontes conforme mostra a figura 1, mas não se limitam a isso. Abaixo falarei brevemente sobre elas.

A direção estratégica está ligada com o propósito da empresa existir, que da perspectiva econômica, está associado a tornar a vida humana mais fácil e agradável, salvo algumas exceções (figura 2).

Falando agora sobre índices de desempenhos. Na área de pesquisa e desenvolvimento quando a intenção é saber se deve ou não

Figura 1. Possíveis fontes de projetos

Figura 2. Propósitos de algumas empresas

Figura 3. Analogia da curva de cinética de transformação de fase com o ânimo das pessoas de uma determinada empresa perante a aceitação dos clientes referente ao ciclo de vida de um produto ou serviço no mercado.

investir em determinada área / segmento, um índice interessante é o número de patentes em função do tempo. De maneira geral a curva é parecida com a curva “S” da cinética de transformação de fases e coincidentemente também referente ao animo das pessoas. Como no exemplo abaixo, se os levantamentos dos dados mostrarem que o momento atual está na parte superior da curva, isso não seria um momento apropriado para investimento, pois estaria no final

de um ciclo, com pouco tempo restante para desfrutar dos benefícios. Em outras palavras o esforço do investimento seria maior que os benefícios colhidos.

No caso de problemas conhecidos, dependendo de sua magnitude, medidas reativas são tomadas no sentido de conter e isolar o problema. Uma boa analogia seria um paciente com grande fluxo de sangramento, em um primeiro momento a ideia é estancar o sangramento, para depois investigar as causas e tomar medidas para resolver plenamente o problema.

A lista da prospecção de possíveis projetos deve ser orgânica, com projetos nascendo e morrendo o tempo todo. De maneira igual deve ser a priorização, com a liderança direcionado onde os colaboradores devem investir suas habilidades e tempo. A eficiência e efetividade da empresa estará sempre associado ao quão conscientes todos os colaboradores (incluindo a liderança) estão sobre o que realmente agrega valor aos clientes. Assim como, a saúde da empresa e dos colaboradores a tal conhecimentos. Uma vez conscientes da direção correta, ai sim deve agilidade irá fazer diferença.

Até a próxima...

Eduardo Nunes, Engenheiro de materiais na General Motors. Doutor em Engenharia de Materiais pela Escola Politecnica, USP. BEng em Engenharia Metalúrgica, forte conhecimento em investigação de falhas. Design para Six Sigma, Master Black Belt. Especialista em encontrar a melhor rota de fabricação de peças metálicas considerando critérios técnicos e comerciais.

Figura 4. Matriz de priorização

EQUIPE URUBUS AERODESIGN

AUrubus Aerodesign é a equipe que representa a UNICAMP (Universidade Estadual de Campinas) na competição anual SAE BRASIL Aerodesign há mais de 20 anos, participante desde as primeiras edições. Neste ramo da SAE, é incentivado o estudo e difusão de conhecimentos relativos à Engenharia Aeronáutica por meio de elaboração de projetos aeronáuticos desde a sua concepção até o detalhamento técnico, incluindo a construção da aeronave idealizada. A competição ocorre em três categorias: Advanced, Regular e Micro, cada qual com suas especificidades. A Urubus tem uma longa tradição como participante da classe Regular, mas já houve participações pontuais em competições da classe Micro. A avaliação é feita pela Comissão Técnica, formada por engenheiros da EMBRAER em sua maioria com sua própria história no Aerodesign.

De forma geral, pode-se dizer que a competição Regular ocorre em duas frentes: a etapa de projeto, e a etapa de voo. Para a etapa de projeto, as equipes devem desenvolver uma aeronave, determinar sua viabilidade e otimizá-lo de forma a ser mais leve possível além de conseguir carregar a maior carga possível. Nesta etapa, são avaliadas as plantas das estruturas do avião, uma apresentação oral sobre o projeto e os relatórios relativos à cada uma das 7 áreas técnicas (Aerodinâmica, Estabilidade e Controle, Desempenho, Cargas e Aeroelasticidade, Estruturas e Elétrico ). Além disso, na Urubus Aerodesign há áreas administrativas além das áreas técnicas, em que os integrantes se mobilizam de forma a manter a estabilidade e organização da equipe. Neste ambiente de alta competitividade, é essencial que a equipe consiga se coordenar de forma eficiente para o cumprimento das responsabilidades e de prazos.

por Viviane Myuki Majima

Foto da equipe em 2022

Todos os anos, com exceção dos anos de 2020 e 2021 devido à pandemia do coronavírus, a competição de voo é realizada em São José dos Campos para a apresentação e prova das aeronaves construídas. Para a classe Regular, os principais fatores são avaliação da leveza do avião e maior carga carregada. No ano de 2022, a Urubus conquistou o segundo lugar com um avião cujo peso vazio (sem carga) era de 2,580 kg com carga paga total (carga carregada pelo avião) de 10,275kg. Ou seja, o avião levava uma carga de quase 5 vezes seu próprio peso!

Para isso ser possível, é preciso a elaboração de um projeto robusto e otimizado, além do uso de técnicas de prototipagem e a enfim construção minuciosa da aeronave final, que serão explicados mais adiante.

Projeto e Construção

Para o início do projeto, é utilizado um algoritmo em Matlab que gera modelos de aviões de forma aleatória seguindo restrições pré-determinadas e os analisa de acordo com seu desempenho. Finalmente, os melhores parâmetros de cada modelo são cruzados a cada geração, obtendo-se no final um avião aprimorado.

Com o projeto de avião a ser construído, pode-se então realizar análises detalhadas, principalmente em termos de aerodinâmica, desempenho e estabilidade. O protótipo construído em seguida tem o papel de validar os dados teóricos obtidos, e logo são realizadas uma série de outras análises subsequentes para otimização estrutural, além de adicionar mudanças conforme necessário. O segundo protótipo construído tem como função validar as análises estruturais e complementar a base de dados sobre o avião por meio da telemetria embarcada.

Uma vez validados todos os dados e seguros de que o avião não apresenta erros de performance, constrói-se o avião oficial. Normalmente, a equipe constrói mais de um avião para ser voado na competição, para fins de segurança.

Ao todo, esse processo de prototipagem, análise e construção é iniciado em Janeiro, e é finalizado em Novembro, mês da competição de vôo. O processo de construção dos aviões oficiais em si leva em torno de 4 meses. Em paralelo, é necessário ainda redigir relatórios extensos contendo todas as análises e testes realizados, além de confeccionar plantas das partes do avião, gravar vídeos do voo do mesmo em prazos pré-estabelecidos, e elaborar uma apresentação oral detalhada para explicar o processo de projeto e construção à comissão avaliadora.

No avião oficial utiliza-se uma série de materiais tendo em mente a leveza e resistência. No revestimento da asa e de outras superfícies do avião, é utilizada madeira balsa; os esqueletos da asa, das empenagens e superfícies de comando também são, em sua maioria, produzidos em madeira. Também são utilizadas mantas de fibra de carbono e de fibra de vidro para reforçar certos componentes. A fuselagem, ou seja, o corpo do avião onde são fixadas a asa e outras superfícies sustentadoras, é feita usualmente com tubos de carbono, de forma a minimizar o peso, além de ser usado honeycomb de aramida. Por fim, como acabamento, as asas e outras superfícies são enteladas, revestidas com uma fita específi-

ca para aerodesign, característica por sua baixa densidade.

O primeiro protótipo normalmente é feito para ser de baixo custo: no ano de 2022, foi feito quase inteiramente de isopor.

O segundo protótipo já é um avião montado para ser muito mais próximo do projeto final, sendo utilizado madeira balsa tal qual o avião oficial.

O impacto da pandemia na equipe

No ano de 2020 iniciou-se o período de pandemia, e com isso, a descontinuidade das atividades presenciais em universidades de todo o país. Na UNICAMP não foi diferente, e a Urubus se viu em uma situação de desafio: de que forma se adaptar para o novo contexto?

Garantir a transmissão de técnicas tradicionais da Urubus no âmbito da construção é fundamental uma vez que são produtos do empirismo e extensa experiência da equipe, muitas vezes definindo a competitividade da aeronave construída frente a outras na

Protótipo de isopor de 2022

Protótipo de madeira balsa

competição. De forma geral, isto é feito no dia a dia da oficina, com a difusão natural de conhecimentos entre os membros durante o processo construtivo. No entanto, durante a pandemia, com a necessidade de distanciamento social, foi necessário o uso de outras maneiras de reinventar esse método de transmissão de técnicas para os novos membros, principalmente por meio de vídeos e videochamadas. Mas foi somente em 2022, com a volta das atividades presenciais na universidade, que a dinâmica natural da equipe conseguiu fazer ser retorno, abrindo um novo período de desafios, sendo a principal delas a readaptação.

Após muitas frustrações e aprendizado, A Urubus conquistou segundo lugar na competição Regular de 2022. E com isso, veio também o direito à uma vaga na competição mundial SAE Aero Design EAST, que ocorrerá em Março de 2023 na Flórida, Estados Unidos. Não é a primeira vez: também já houve participações em 2014, 2015 e 2017.

SAE Aero Design EAST

A competição mundial traz consigo uma série de novos desafios: planejamento financeiro, arrecadação de fundos, projeto e cons-

trução de um novo avião, logística para a viagem e hospedagem dos membros participantes, entre muitos outros. Mas um dos maiores fatores considerados pela equipe foi o tempo. Ao todo, são três meses e meio entre a premiação em Novembro de 2022 e a viagem em Março de 2023.

Primeiramente, foi necessário maximizar a arrecadação financeira por meio de vaquinhas, vendas e parcerias com empresas, até enfim ser possível iniciar a construção, em Fevereiro de 2023. Além disso, esse é o projeto mais ambicioso da equipe até então: é uma aeronave com aproximadamente 5 metros de uma ponta a outra da asa, e partes desmontáveis, de acordo com o regulamento e para permitir o transporte até os Estados Unidos.

Ao todo, serão 47 equipes participantes de todo o mundo. Como uma das representantes brasileiras, a Urubus enfrentará uma competição acirrada, mas a equipe está confiante em seu trabalho árduo e dedicado!

Viviane Myuki Majima, estudante de graduação de Engenharia Química na UNICAMP

Oficina com a equipe poucos meses após a volta das atividades presenciais

USO DE GRAFENO EM PROJETOS DE SUPERFÍCIES INTELIGENTES RECONFIGURÁVEIS APLICADAS À TECNOLOGIA 6G

Resumo

Nesses últimos anos com os avanços na indústria de tecnologia de radiofrequências houve uma mudança robusta nas características dos transmissores, como por exemplo, a inserção dos sistemas MIMOs e o uso da formação de feixe. Seguindo essas mudanças, o Instituto de Pesquisas ELDORADO vem introduzindo estrategicamente novos estudos, inclusive no desenvolvimento de hardwares para a Sexta geração de internet móvel, o 6G. Neste contexto, novas tecnologias ainda não existentes vêm sendo estudadas e, uma promissora, é o uso de dispositivos de grafeno para aplicações em Tera-hertz. Assim, apresentamos neste trabalho o estudo de uma superfície inteligente reconfigurável que é capaz de modificar o seu padrão de radiação refletido graças ao controle individual de células unitárias compostas por dispositivos de grafeno. O estudo realizou a simulação da matriz da estrutura pelo software Ansys HFSS. Os resultados simulados demonstraram que a RIS pode controlar o padrão de radiação refletido de forma anômala com a manipulação da condutividade elétrica do grafeno.

Termos: grafeno, superfícies inteligentes reconfiguráveis, Sexta Geração de redes móveis 6G

O Instituto ELDORADO é um provedor de P&D&I com histórico de 24 anos de experiência na criação de soluções inovadoras para empresas nacionais e internacionais nos segmentos de Tecnologia da Informação e Comunicação, Automotivo, Agro, Energia, Óleo & Gás, Saúde e Indústria 4.0.

Presente em Campinas, Manaus, Porto Alegre e Brasília, o ELDORADO possui laboratórios de classe mundial, sendo protagonista em inovação aberta e na catalisação de fomentos e incentivos para execução de projetos. O Instituto conta com mais de 1.800 profissionais especializados em áreas chaves como Microeletrônica, Desenvolvimento de Soluções em Hardware e Software, Testes e Certificações, além de Capacitação Tecnológica. O ELDORADO investe intensamente na geração de conhecimento e na capacitação de sua equipe para promover resultados diferenciados para seus clientes.

Introdução

O grafeno é um material em duas dimensões que tem apresentado inúmeras propriedades mecânicas, térmicas, ópticas, químicas e elétricas. Devido a sua gama de características, o material vem sendo estudado nos últimos anos para aplicações em dispositivos de radiofrequência para Tera-hertz. Em nosso trabalho, foi feito um estudo e a proposta de um metamaterial composto de silício, ouro e grafeno. Os materiais naturais não são capazes de interagir a altas frequências como na faixa aplicada à Tera-hertz, assim, os metamateriais são, portanto, projetados com o objetivo de suprir essa carência, ou seja, são capazes de interagir em frequências de Tera-hertz [1]. O trabalho faz um estudo das propriedades do grafeno para que ele trabalhe como um dispositivo de comutação, isso significa que ele irá apresentar um comportamento dinâmico ajustável, ou seja, conforme um sistema de controle, o grafeno irá modificar suas propriedades químicas, alterando a resposta em frequência da metassuperfície.

O interesse do uso do grafeno em metassuperfícies aplicadas à Tera-hertz é ocasionado em função da alteração de seu potencial químico em função da aplicação de tensão elétrica. O efeito da variação de diferença de potencial no material modifica sua condutividade elétrica. Com base nessa propriedade, a metassuperfície é capaz de criar diferentes distribuições de fase refletida, conforme a diferença de potencial sobre o grafeno. Assim, cada célula unitária da metassuperfície é capaz de trabalhar com uma fase específica e manipulada conforme uma unidade de controle. A unidade de controle é responsável por gerenciar cada uma das células da matriz da estrutura que, assim, cria um feixe direcional variável [2]. O feixe é variável porque sua focalização é dinâmica e orientada conforme a posição geográfica do dispositivo do usuário. O sistema composto pela metassuperfície e a unidade de controle é nomeado hoje como superfície inteligente reconfigurável, do inglês “reconfigurable intelligent surface” ou RIS. Detalhes do sistema RIS são mostrados na Figura 1.

Uma motivação importante para o estudo das RIS é originado de sua capacidade de concorrer com sistemas de múltiplas

por F. H. S. Fonseca; Gustavo Morais; Gabriel Clemente e Cesar Pagan

entradas e múltiplas saídas, do inglês Massive multiple-input multiple-output (MIMO). Os MIMOs são hardwares promissores de transmissão de sinal sem fio para as telecomunicações atuais, como as redes móveis de quinta geração (5G). Os sistemas MIMO fornecem um novo conceito de emissão de ondas eletromagnéticas por formação de feixe, conhecidos do inglês como “beamforming”. A técnica fornece um sinal de alta eficiência espectral, com um feixe dinâmico que é direcionado ao usuário independente de seu posicionamento geográfico, garantindo desempenho superior aos sistemas de antenas tradicionais [3]. Apesar da grande vantagem espectral que a técnica possui, sua implantação requer altos investimentos [4] e, portanto, um retorno ainda maior. Desta maneira, a tecnologia de superfícies inteligentes reconfiguráveis, que ainda está na fase de estudo e desenvolvimento é uma alternativa capaz de gerar o feixe direcional dinâmico de maneira semelhante ao MIMO, porém no RIS o sinal é baseado em uma reflexão controlada, ou reflexão anômala [5]. Cada elemento da estrutura é manipulado por um sistema de controle. O projeto de uma RIS possui um custo inferior aos dos MIMOs tradicionais e seu objetivo é modificar as propriedades de reflexão da estrutura, criando então um foco dinâmico direcional, que se adapta e irradia conforme a posição de seu usuário. As RIS serão implantadas comercialmente ainda nesta década, se mostrando uma promissora tecnologia para futuras gerações de tecnologia de radiofrequência, principalmente para a Sexta geração de redes móveis, o 6G [6].

Um dos principais estudos do desenvolvimento das RIS tem ori-

gem nas superfícies seletivas de frequência reconfigurável (RFSS) [7]. As RFSS originam-se de superfícies seletivas de frequência estáticas (FSS), que possuem um único comportamento. FSSs têm sido estudadas desde o século passado para aplicações com compatibilidade eletromagnética [8]. Entretanto, o efeito dinâmico das FSSs tornou-se necessário, surgindo o RFSS, o filtro de reflexão ou transmissão que antes apresentava um único comportamento agora pode ser programado no tempo para responder quando necessário, recurso que ampliou as possibilidades de uso da estrutura em suas respectivas projeções. As aplicações das metassuperfícies na faixa de frequência sub seis Giga-hertz e ondas milimétricas são realizadas com o uso de dispositivos comutadores comerciais, podemos citar os diodos PIN, diodos varactor e MEMS. Entretanto, na faixa de frequência de Tera-hertz esses dispositivos perdem a propriedade de comutação, se tornando vão à aplicação. Assim, novas soluções foram surgindo, uma delas é o processo de fabricação da metassuperfície ser realizado inteiramente em uma única placa, utilizando o processo planar e a litografia. Assim, o padrão da célula unitária é construído junto com o dos dispositivos, esses que podem ser feitos por semicondutores ópticos, como óxido de gálio e o grafeno [9], assim como proposto neste trabalho. Neste contexto, o presente trabalho apresenta um estudo e as simulações de uma metassuperfície para o desenvolvimento promissor de uma futura RIS para aplicações em Tera-hertz. A metassuperfície possui uma célula unitária composta por um braço de grafeno depositado sobre uma modificação da espira quadrada. O

braço de grafeno

Figura 1. Desenho esquemático do funcionamento de uma RIS.

irá atuar como dispositivo de comutação em função da variação do potencial químico controlado por tensão elétrica, os valores de condutividade elétrica do grafeno foram baseados no trabalho de [10]. A metassuperfície gerou três características diferentes de reflexão e mudança de fase da onda eletromagnética em 0,106 THz.

Estudo da RIS de 0,106 THz

Como citado anteriormente, as RIS aplicadas à Tera-hertz devem ser desenvolvidas com a integração da estrutura da célula unitária e dos dispositivos de comutação já no processo de fabricação, a estrutura de estudo é mostrada na íntegra na Figura 2. A estrutura foi baseada em uma matriz de 900 células. Cada célula unitária é constituída por um substrato de silício com espessura padrão de uma bolacha comercial de 300 micrômetros, uma tira de ouro de espessura de 10 micrômetros depositada na parte superior da bolacha. O plano terra, responsável por aumentar o coeficiente de reflexão da célula, ficou posicionado a 0,5 mm abaixo da bolacha. Foi depositado sobre o substrato uma micro fita de grafeno em padrão paralelo que será ligada de uma ponta da fita de ouro à outra. Para realizar a comutação do grafeno, seus terminais foram ligados a uma trilha de polarização que atuará como controle de estados de cada célula unitária. Este trabalho fez o estudo da mudança de fase de reflexão para diferentes valores da diferença potencial aplicado sobre o grafeno e mostra a modificação do padrão de radiação originado de uma antena de abertura refletida de forma controlada pela estrutura.

Como mostrado na Figura 2, a RIS simulada foi composta de 30 x 30 elementos, e podemos ver também o destaque de uma de suas células e o seus componentes constituintes, incluindo o grafeno. Foi simulado o padrão de radiação de uma antena tipo abertura WR10 incidindo na direção normal à matriz e refletindo de forma anômala. A Figura 3 mostra o padrão de radiação refletido para três diferentes casos. No primeiro caso, é mostrada a simulação das células unitárias organizadas de forma a gerar um foco na direção normal à superfície. No segundo caso, as fases estão distribuídas com a focalização para o lado direito e, no terceiro e último caso, com a focalização para o lado esquerdo. Apesar de ser verificada a modificação do padrão de radiação refletido horizontalmente para ± 30 graus, as direções apontadas ainda são limitadas e devem ser estudadas com maior cautela. Assim, com a Figura 3, foi possível verificar que o padrão de radiação refletido pela FSS sofreu variações de acordo com a configuração dos dispositivos, demonstrando que é possível controlar a formação e direção do feixe incidente em uma RIS utilizando dispositivos comutadores de grafeno.

Conclusões

Este trabalho apresenta um estudo de uma superfície inteligente reconfigurável aplicada ao 6G com o uso de dispositivos de grafeno. O projeto tem o objetivo de desenvolver uma RIS que demonstre a formação de feixe refletida anômala contro-

lada por dispositivos comutadores compostos por grafeno na faixa de frequência de Tera-hertz. As RIS para Tera-hertz são promessas importantes para a redução dos custos dos novos sistemas de redes sem fios e que apresentam desafios tecnológicos que necessitam ser contornados. O trabalho demonstrou que o padrão de radiação obtido pela reflexão na estrutura obteve variações em seu direcionamento, conforme controle da diferença de potencial elétrico sobre os dispositivos de grafeno, demonstrando assim, que esse material é capaz de trabalhar em Tera-hertz como um promissor candidato a dispositivo de comutação.

Figura 2. Modelo simulado da RIS proposta destacando uma de suas células unitárias.

Figura 3. Padrão de radiação orientada conforme as fases de cada célula unitária da RIS.

intelligent surfaces: Three myths and two critical questions,” IEEE Communica- tions Magazine, vol. 58, no. 12, pp. 90–96, 2020 .

[7] K. Katoch, N. Jaglan, and S. D. Gupta, “A review on frequen cy selective surfaces and its applications,” in 2019 International Conference on Signal Processing and Communication (ICSC), pp. 75–81, 2019.

[8] Y. Hu, G. Shi, Y. Chen, F. Wei, and Y. Liao, “Design and simu lation of an x-band bandpass energy selection surface,” in 2020 6th Global Electromagnetic Compatibility Conference (GEMC CON), pp. 1–3, 2020.

[9] “Metasuperf´ıcie hologra´fica terahertz programa´vel dina micamente us- ando cmos ic tiling.”

[10] F. C. Rufino, A. M. Pascon, L. C. Espindola, F. H. Cioldin, D. R. Larrude´, and J. A. Diniz, “Definition of cvd graphene micro ribbons with lithography and oxygen plasma ashing,” Carbon Trends, vol. 4, p. 100056, 2021.

Inscreva-se no site aquecimentoindustrial.com.br, para receber todas quartas-feiras nossa news em seu e-mail, basta colocar nome, e-mail e sua área de interesse!

F. H. S. Fonseca, Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação (FEEC) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Instituto de Pesquisas ELDORADO (ELDORADO), Campinas (SP), Brasil, ffonseca@dsif.fee.unicamp.br

Gustavo Morais, Instituto de Pesquisas ELDORADO (ELDORADO), Campinas (SP), Brasil, gustavo.morais@eldorado.org.br

Gabriel Clemente, Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação (FEEC), Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Instituto de Pesquisas ELDORADO (ELDORADO), Campinas (SP), Brasil, gcclemente.rs@gmail.com

Cesar Pagan, Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação (FEEC) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) ,Campinas (SP), Brasil, pagan@unicamp.br

O IPEN: DA METALURGIA NUCLEAR AO GRAFENO

OInstituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) é uma autarquia vinculada à Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação (SCTI) do Governo do Estado de São Paulo e gerida técnica e administrativamente pela Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), órgão do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI), do Governo Federal, acesse aqui

Localizado no campus da Universidade de São Paulo - USP, o IPEN ocupa uma área de 500 mil m2, o IPEN tem hoje uma destacada atuação em vários setores da atividade nuclear entre elas, nas aplicações das radiações e radioisótopos, principalmente para área de saúde, em materiais, em radioproteção e dosimetria, cujos resultados vêm proporcionando avanços significativos no domínio de tecnologias, na produção de materiais e na prestação de serviços de valor econômico e estratégico para o país, possibilitando estender os benefícios da energia nuclear à segmentos maiores da população.

A multidisciplinaridade que das atividades do setor nuclear, tem permitido ao IPEN, conduzir um amplo e variado programa de pesquisas e desenvolvimentos em outras áreas. Dentre essas, na área de biotecnologia, na radioquímica, na área de materiais e nanotecnologia. Um rigoroso programa de controle radiológico e de segurança nuclear é conduzido em todas as instalações nucleares e radioativas do IPEN. Este programa inclui monitorações radiológicas, pessoal e ambiental, atendimento a emergências radiológicas, análises radiotoxicológicas, avaliações radiosanitárias, calibração de monitores de radiação, tratamento e acondicionamento de rejeitos nucleares de baixa atividade.

O IPEN é ainda responsável, em associação com a USP, pela condução de programas de pós-graduação para mestrado e doutorado. A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), do Ministério da Educação (MEC), tem avaliado os cursos de pós-graduação do IPEN outorgando em todas as suas avaliações os melhores conceitos colocando-o entre os melhores cursos de pós-graduação do país. Atingiu, em 2023, o patamar de 3,2 mil titulações, entre

mestrado e doutorado. Desde 2019 oferece o Curso de Mestrado Profissional Stricto Sensu em Tecnologia das Radiações em Ciências da Saúde.

O Centro de Ciência e Tecnologia de Materiais, é o herdeiro da Divisão de Metalurgia Nuclear, do Instituto de Energia Atômica, que foi implantado em dezembro de 1961. Na década de 1960 as atividades da Divisão de Metalurgia ficaram voltadas para o domínio de tecnologia de fabricação dos elementos combustíveis tipo placa para reatores de pesquisa. Durante o ano 2000, o IPEN experimentou uma mudança na sua estrutura de gestão administrativa e ocorreu a implantação de Centros em substituição aos departamentos e a Metalurgia se transformou no Centro de Ciência e Tecnologia de Materiais (CECTM).

Na área de materiais metálicos do CECTM, existe um setor voltado a indústria automotiva. A área de conformação de aços de alto desempenho está em contínuo desenvolvimento em todo o mundo. A força motriz para este desenvolvimento está no setor automotivo, com a preocupação com o meio ambiente e a segurança dos passageiros. Para apoiar o potencial desta tecnologia, as inovações em aços de alta resistência são

por Jesualdo Luiz Rossi e Rubens Nunes de Faria Jr.

Figura 1. Vista aérea do IPEN

essenciais. A pesquisa e o desenvolvimento, tanto acadêmico como industrial, que é um dos pré-requisitos mais importantes para continuar a inovação, tem sido feita nas últimas décadas. São extensivamente abordados tópicos como processos de estampagem, soldagem, outras formas de união como adesivagem e clinch, tratamentos térmicos, revestimentos protetivos e corrosão.

Mais especificamente na ára de grafeno, o Laboratório de Materiais Magnéticos do CECTM se destina à pesquisa de materiais avançados para dispositivos de armazenamento de energia magnética. Este grupo de materiais magnéticos teve início em 1984 para obtenção de ímãs permanentes à base de terras raras e metais de transição. Neste projeto produziu-se por redução cálciotérmica a liga magnética SmCo5 para aplicação em ultra centrifugas utilizadas na separação isotópica do urânio. A partir de então os esforços se voltaram para ligas à base de neodímio-ferro-boro com e sem adição de elementos de liga. O grupo sempre utilizou o hidrogênio nos processos de fabricação destes materiais magneticamente duros via metalurgia do pó. Como parte das atividades acadêmicas, também foi publicado um livro introdutório ao magnetismo dos materiais, acesse aqui

Com a crescente renovação da frota automobilística mundial, pesquisas direcionadas para captação e armazenamento de energia elétrica e magnética são altamente relevantes na atualidade. Os principais componentes do veiculo elétrico são os ímãs permanentes dos motores para a propulsão, as baterias para autonomia e supercapacitores para aceleração. <https://www.ipen.br/portal_por/portal/interna.php?secao_ id=523&campo=5582>.

O Laboratório de Baterias, Supercapacitores e Células

Fotovoltaicas do CECTM se destinam à pesquisa de materiais avançados para dispositivos de captação e armazenamento de energia elétrica. Atualmente, o grafeno (G) despontou como um material altamente promissor para aplicação em dispositivos eletrônicos e vem sendo extensivamente investigado no

âmbito nacional e internacional. Várias pesquisas inovadoras estão em andamento para redução de derivados de óxido de grafeno (GO) utilizando o processo HDDR (hidrogenação-desproporção-dessorção-recombinação) para aplicação em supercapacitores (SC). Os nano compósitos de óxido de grafeno reduzido apresentam características elétricas superiores que levam a valores maiores de capacitância específica e condutividade elétrica. Também estudos de fotocélulas tipo célula solar sensibilizada a corante (DSSC) estão voltados atualmente para a aplicação do grafeno neste tipo de dispositivo para captação de energia. Medidas elétricas destes dispositivos de armazenamento e captação de energia elétrica são realizadas em analisador digital e incluem testes galvanostáticos de carga e descarga e voltametria cíclica. No campo das baterias recarregáveis foi publicado um livro introdutório a estes dispositivos elétricos <https://www.ipen.br/portal_por/ portal/interna.php?secao_id=523&campo=18493>.

Figura 2. Divisão de Metalurgia Nuclear circa 1962 e CECTM em 2023

Figura 3. ZnO nanorods. Imagem de Eguiberto Galego.

O grande interesse no desenvolvimento da célula DSSC reside em seu baixo custo de fabricação. Durante os últimos 15 anos, o objetivo das pesquisas realizadas foi a subs tituição do corante de rutênio e da platina utilizada no contra-eletrodo. Atualmente a maior eficiência de conversão alcançada é de 13%, obtida utilizando-se moléculas de porfirinas como corante, grafeno como contra-eletrodo (CE), e eletrólito a base de cobalto. Devido ao alto custo da platina diversos materiais estão sendo estudados para a sua substituição. Dentre estes, o grafeno apresenta grande vantagem devi do a: mobilidade dos portadores (10.000 cm2V-1s-1), área especifica (2.630 m2g condutividade térmica (3.000 Wm transparência ótica (97,7%). No entanto, a condutividade elétrica e a atividade catalítica são inferiores as apresentadas pela platina. Verificou-se uma melhora da atividade ca talítica quando se empregou o grafeno com uma estrutura de colmeia e pela dopagem da estrutura bi-dimensional com hetero-átomos (nitrogênio, boro e fosforo). Esta dopagem promove o aumento de defeitos na estrutura do grafeno. Além da utilização do grafeno como CE, este material também foi estudado para sua utilização como uma interface entre o óxido de estanho dopado com flúor – FTO e o ZnO no eletrodo de trabalho. Devido a baixa rugosidade do grafeno a aplicação do mesmo, nesta interface, promove uma melhor adesão entre o FTO e o ZnO. Nos eletrodos nano-estruturados, além da adesão, o grafeno promove a redução dos processos de recombinação. O ZnO nanoestruturado também pode ser empregado como mate rial ativo de eletrodos de supercapacitores, podendo, assim, ser aplicado tanto em dispositivos para armazenamento quanto em dispositivos para captação de energia.

Jesualdo Luiz

de

pesquisadores titulares do IPEN, professores e orientadores pela USP. <jelrossi@ ipen.br> <rfaria@ipen.br>

Rossi e Rubens Nunes

Faria Jr. são

as mais recentes notícias do Portal Aquecimento Industrial e tenha informações sobre a indústria metalmecânica no brasil e do mundo.

REVESTIMENTOS DE EPÓXI DO TIPO

FUSION BONDED (FBE) MODIFICADO COM

ÓXIDO DE GRAFENO REDUZIDO PARA A PROTEÇÃO DE TUBULAÇÕES METÁLICAS

Resumo

Os impactos de corrosão em materiais metálicos constituem um grande desafio a ser enfrentado ainda na atualidade. Revestimentos epóxi são frequentemente utilizados para o fim de proteção à corrosão por suas características de resistência química e adesão ao metal. O Fusion-Bonded Epoxy (FBE), ou epóxi ligado por fusão, é uma resina epóxi monocomponente em pó utilizada, entre outros, para revestimento de tubulações metálicas. Neste trabalho inicialmente resumimos os resultados de adesão em teste de pull-off, publicados pelo grupo em 2022, com um sistema de FBE aditivado com óxido de grafeno reduzido (rGO) produzido no CTNano/ UFMG. Relatamos também os novos resultados de ensaio de corrosão por espectroscopia de impedância eletroquímica para revestimentos imersos em solução salina. De maneira complementar são apresentados os esforços de processamento de moagem de alta energia para obtenção de uma dispersão otimizada do rGO no FBE. Os resultados mostram ganhos da resistência do sistema quando o rGO é adicionado na concentração de apenas 1% em massa ao FBE, indicando o aprimoramento do efeito barreira do revestimento nanoaditivado.

Introdução

Eficaz, moderna e confiável, as tubulações metálicas são ferramentas amplamente utilizadas no transporte de petróleo, gás e água [1]. Devido às suas vantagens de segurança, eficiência de escoamento e baixo custo, os dutos ou estruturas tubulares como tubulações de aço desempenham um importante papel em todo o mundo como meio de transportar gases e líquidos a longas distâncias de suas fontes até os consumidores finais [2]. No entanto, alguns defeitos de corrosão inevitavelmente se desenvolvem nas superfícies interna e externa desses sistemas à medida que a tubulação envelhece [3].

A corrosão custa cerca de 4% do PIB anual do Brasil, considerando todos os setores produtivos, comprometendo a integridade mecânica e gerando danos irreversíveis em equipamentos

elétricos e estruturas de sustentação [4,5]. Processos oxidativos em oleodutos e gasodutos tem um grande impacto no custo do aço, no vazamento de petróleo e gás, no meio ambiente e na segurança humana. De acordo com um levantamento realizado pela Agência Nacional de Petróleo (ANP), 33 incidentes em dutos submarinos foram relatados no Brasil entre 2012 e 2020, 82% desses ocorreram em dutos submarinos em operação ativa e 18% ocorreram em dutos submarinos fora de operação [6]. Dentre as causas de incidentes em dutos (Figura 1) são listadas falhas em risers (produção e perfuração), umbilicais e dutos subaquáticos que geralmente estão presentes em sistema offshore de produção de petróleo [6].

Revestimentos poliméricos vêm sendo utilizados para proteção de peças metálicas mitigando a corrosão em metais [7]. Avanços tecnológicos em formulações e processos ao longo das últimas décadas melhoraram o desempenho desses materiais aumentando a vida útil de tubulações, válvulas, estruturas metálicas nas indústrias sucroalcooleira, de saneamento, de mineração, petrolífera, na construção civil e na indústria em geral.

Dentre os revestimentos poliméricos, as resinas epóxi tem sido amplamente utilizadas como matrizes para compósitos baseados em polímeros devido à sua rigidez única, estabilidade dimensional, resistência química e forte aderência a substratos metálicos [8].

FBE e seu uso industrial

Fusion-Bonded Epoxy (FBE), ou epóxi ligado por fusão, é uma resina epóxi em pó termoendurecível (curável por calor), ou seja, utiliza o calor para derreter e aderir a resina a um substrato metálico. A resina epóxi do tipo FBE é empregada como revestimento desde a década de 60 para diversos propósitos, incluindo isolamento elétrico e proteção contra corrosão [9].

O FBE é uma resina monocomponente, aplicada internamente e/ou externamente em tubulações (Figura 2), que fornece um revestimento com excelente aderência, um acabamento liso resistente à abrasão e a degradação química e com a ausência de solventes [10]. Essa combinação de propriedades, tornam o

por Felipe da Silva Medeiros e Glaura Goulart Silva

FBE uma excelente escolha como revestimento protetor para uma ampla variedade de condições ambientais [11]. Em tubulações, o FBE aplicado promove uma superfície lisa que reduz a fricção com as paredes, aumentando a eficiência hidráulica, reduzindo os custos de energia e reduzindo investimentos em bombas e compressores [10].

O epóxi processado por fusão foi introduzido pela primeira vez pela 3M Company para proteção contra corrosão em tubulações em 1960. Desde então, o FBE vem sendo utilizado para controlar processos de corrosão em mais de cem mil quilômetros (sessenta mil milhas) de tubos revestidos instalados em todo o mundo. O aço de reforço revestido com FBE para estruturas de concreto é utilizado desde 1972 em mais de cem mil estruturas de concreto somente na América do Norte [11].

Na indústria de saneamento, uma fina camada de FBE é aplicada sobre substratos metálicos, não acarretando aumento significativo do peso do duto, facilitando o transporte, armazenamento e instalação dos tubos [11].

A proteção contra corrosão dos revestimentos orgânicos age principalmente com o efeito barreira física, isolando substratos metálicos de espécies corrosivas no ambiente. No entanto, as espécies corrosivas como água, íons oxigênio e cloreto, podem alcançar a interface metal / revestimento através da difusão nas porosidades do revestimento. Isso pode resultar no declínio do desempenho da barreira de revestimento como resultado da degradação hidrolítica. Além disso, a corrosão do metal sobre o revestimento pode acelerar a perda de adesão e formação de

bolhas no revestimento [11]. A perda de adesão pode levar ao descolamento do revestimento gerando a formação de fendas que fornecem caminhos fáceis para espécies corrosivas atingirem a superfície do metal, permitindo a propagação de muitos tipos de corrosão [12,13]. De modo a melhorar o desempenho de barreira e as propriedades de proteção contra a corrosão dos re-

Figura 1. Causas de incidentes em dutos submarinos no Brasil entre 2012 e 2020.

Figura 2. Revestimento interno e externo de tubos de aço com resina FBE Fonte: figura adaptada de https://www.vippesaro.com/services/fbe-fusion-bonded-epoxy

vestimentos poliméricos, tentativas foram feitas através da adição de vários aditivos e/ou pigmentos anticorrosivos [14–16].

Polímeros reforçados com materiais de dimensões nanométricas, conhecidos como nanocompósitos, têm despertado grande interesse de pesquisadores e desenvolvedores devido ao aprimoramento significativo das propriedades de proteção dos materiais com uma quantidade muito baixa do componente nano-disperso [17]. O reduzido tamanho das partículas e maior área específica da superfície podem fornecer melhorias significativas nas propriedades mecânicas dos revestimentos bem como promover um melhor desempenho de barreira contra a difusão de eletrólitos corrosivos se comparados com as cargas convencionais [17]. Entre os nanomateriais atualmente estudados, o óxido de grafeno (GO) e seus derivados são associados a melhorias nos mecanismos de barreira do revestimen-

to de epóxi contra a corrosão, devido à sua estrutura de folha bidimensional (2D) [8].

Nanocompósitos de FBE e óxido de grafeno reduzido O óxido de grafeno reduzido (rGO) é igualmente um nanomaterial a base de carbono com excelente desempenho e baixo custo [18]. Nanocompósitos com rGO podem ser propostos para usos na indústria civil, mecânica e aeroespacial. O óxido de grafeno reduzido (Figura 3) recebe essa nomenclatura uma vez que não ocorre a redução de todos os grupos oxigenados da estrutura do GO. Portanto, o rGO não deve ser chamado de grafeno que corresponde a uma monocamada grafítica de alta qualidade estrutural sem presença de defeitos e funcionalizações [19].

Figura 3. Esquema de formação do óxido de grafeno reduzido.

Figura 4. Imagens representativas dos corpos de prova (chapas revestidas) submetidas a imersão a quente e após ensaiadas no teste de aderência (pull-off) .

A redução térmica dos grupos oxigenados presentes na estrutura do GO pode ocorrer em uma única etapa e normalmente não faz uso de produtos químicos danosos ao meio ambiente [20,21]. Desse modo, conclui-se que a redução térmica do GO é uma alternativa interessante para a síntese de materiais de grafeno devido a simplicidade e escalabilidade do processo.

A contribuição de um baixo teor de rGO no compósito de FBE em pó foi explorada visando o desenvolvimento escalável de revestimentos baseados em nanocompósitos epóxi ligados por fusão reforçados com óxido de grafeno termicamente reduzido. As propriedades de adesão e corrosão do revestimento foram investigadas e ganhos promissores foram obtidos neste estudo.

Avaliação dos revestimentos nanoestruturados de FBE em pó Temperatura e a umidade são os principais fatores responsáveis pela perda de adesão entre o epóxi e o aço conforme descrevemos no trabalho do grupo publicado em 2022 [22]. Durante testes de imersão a quente, chapas metálicas revestidas com epóxi ficam imersas em um banho de água quente por um certo período. A temperatura e a umidade do processo podem aumentar o teor de água saturada nos revestimentos levando à formação de bolhas, influenciando nos processos de difusão além de fragilizar a adesão na interface aço/epóxi [22]. Neste contexto, ensaios de adesão mecânica antes e após a imersão em água quente foram realizados com os revestimentos FBE e revestimentos nanocompósitos de FBE/rGO aplicados em aço, como descrito no trabalho anterior do grupo [22]. O rGO utilizado apresentava espessura em torno de 3 nm e 5-10% de

grupos oxigenados residuais. Os revestimentos nanocompósitos foram aplicados com diferentes concentrações do nanomaterial (0,1%; 0,3%; 0,5% e 1,0% de rGO) e os valores correspondentes à resistência ao pull-off (Figura 4) para os revestimentos indicaram aumentos de 85% e 96%, para os compósitos com 1,0% e 0,5% de FBE/rGO, respectivamente, se comparados ao resultado obtido para o revestimento FBE sem adição de nanomaterial [22].

A modificação da estrutura física dos revestimentos devido a possíveis rupturas nas cadeias epóxi resulta em perda de aderência na interface metal/revestimento [22,23]. Além disso, as moléculas de água são consideradas fortes agentes contra a adesão, que podem destruir as ligações de hidrogênio entre o revestimento e o substrato, resultando na perda de adesão [22,24]. Apesar da formação de bolhas na superfície do revestimento não ter sido observada macroscopicamente, após imersão em água quente, observou-se perda de adesão em todos os revestimentos, característica da ruptura adesiva entre o substrato e o adesivo (Figura 4).

Ensaios eletroquímicos podem fornecer dados contínuos e dinâmicos sobre vários parâmetros, como potencial de corrosão, potencial de erosão de incrustações, densidade de corrente de corrosão, resistência à incrustação de corrosão, resistência a transferência de elétrons, cobertura de superfície e capacitância associada a incrustação. Portanto, a abordagem eletroquímica ajuda a explicar o mecanismo de corrosão e fornece uma descrição mais detalhada da corrosão localizada (corrosão por pite e corrosão por trinca) ou depósito de incrustação de corrosão [25–27].

Figura 5. Diagrama de Nyquist para as amostras de aço sem/com revestimento de FBE e FBE/rGO 1% para (A) dia 1 e (B) dia 7 de experimento de imersão em solução de NaCl 3,5% de uma chapa na qual foi feito um furo com broca.

Um sistema de três eletrodos foi usado para caracterizar o desempenho do revestimento usando a estação de trabalho eletroquímica Autolab PGSTAT 30. Os eletrodos de Ag|AgCl|KCl saturado, Ti/Pt e chapas revestidas com FBE/rGO foram usados como eletrodo de referência, contra-eletrodo e eletrodo de trabalho, respectivamente. As áreas do contra-eletrodo e do eletrodo de trabalho foram de 10 cm2 e 0,97 cm2, respectivamente. O eletrodo de referência foi conectado a um eletrodo de ouro através de um capacitor não polarizável de 0,01 μF, para reduzir artefatos de alta frequência. A espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) foi realizada na faixa de frequência de 100 kHz a 10 mHz com perturbação senoidal de 10 mV ao redor do potencial de circuito aberto (PCA). Todos os testes foram realizados em uma caixa Faraday de blindagem, a fim de evitar perturbações externas.

Os ensaios de EIE foram realizados à temperatura ambiente, durante 7 dias de exposição à solução salina. Para as amostras metálicas revestidas com FBE e FBE/rGO foi realizado um furo artificial feito com broca para expor o substrato de aço-carbono que estava em contato direto com a solução salina de NaCl 3,5%.

Pelos gráficos de Nyquist (Figura 5 (A)) obtidos a partir da análise de EIE para as amostras de aço sem/com revestimento de FBE e FBE/rGO, observa-se um aumento do arco capacitivo após aplicação do revestimento de FBE sobre a chapa de aço. Uma ampliação do arco capacitivo também é observada após a incorporação do rGO ao filme de FBE, indicando aumento da resistência a corrosão. Os valores de impedância a baixas frequências são 1,8 x 103 Ω.cm2 para o aço puro, 6,3 x 104 Ω.cm2 para o aço revestido com FBE e 1,7 x 105 Ω.cm2 para o aço revestido com FBE/rGO

1% no primeiro dia de medida, lembrando que os dois últimos sistemas possuem um furo no revestimento. Esse aumento da impedância está correlacionado a resistência à difusão das espécies corrosivas pelo revestimento através do efeito barreira.

Após decorridos 7 dias de imersão em solução salina (Figura 5 (B)), ocorre redução do arco capacitivo para as amostras revestidas com FBE e FBE/rGO. Os valores de impedância a baixas frequências são 5,1 x 104 Ω.cm2 para o aço revestido com FBE e 8,5 x 104 Ω.cm2 para o aço revestido com FBE/rGO 1%. O revestimento com FBE/rGO com adição de nanocarga permanece apresentando um efeito barreira mais elevado que o revestimento de FBE apenas.

Uma das maneiras de ocorrer a difusão de eletrólitos no revestimento epóxi é através de alguns poros e defeitos microscópicos no revestimento que produzem caminhos para que o eletrólito alcance facilmente a interface revestimento/metal [17]. Neste caso, as nanofolhas de rGO podem contribuir bloqueando esses caminhos de difusão. A Figura 6 apresenta um esquema do processo da difusão para corrosão nos revestimentos de FBE sem/com adição do rGO. As folhas de rGO formam uma barreira contra a difusão corrosiva, e dessa maneira, os danos no revestimento podem ser significativamente reduzidos.

Otimização do processo de incorporação

dos nanomateriais na matriz FBE

O processo de mistura e integração dos nanomateriais às matrizes poliméricas tem se caracterizado cada vez mais como a barreira tecnológica central na produção dos nanocompó-

Figura 6. Esquema do processo da difusão para corrosão em A) revestimento FBE e B) revestimento compósito FBE/rGO.

sitos com efetiva transferência das propriedades do material nanoestruturado para os polímeros. Embora os compósitos de grafeno/polímero tenham aplicações promissoras, a aglomeração do grafeno devido às numerosas interações de van der Waals entre suas folhas e a fraca compatibilidade com a maioria das matrizes poliméricas constitui um obstáculo que restringe a obtenção de ganhos expressivos nas propriedades de reforço dos nanomateriais [28].

Meios mecânicos de dispersão, tais como moinhos de bolas planetários, vibratórios ou por centrifugação são utilizados frequentemente para mistura de constituintes em pós, sendo o processo baseado na energia cinética das bolas quando do impacto com as partículas em pó. Os moinhos são utilizados tanto em escala laboratorial quanto em escala industrial [29,30]. Diferentes tamanhos finais das partículas podem ser obtidos variando quantidades de carga e velocidades de rotação (que influenciam na energia de impacto). Outras variáveis do processo de moagem são: tipo do moinho, tempo de moagem, tipo e tamanho dos corpos moedores, nível de preenchimento do container, e agentes de controle de processo como controle de temperatura [29].

De modo a otimizar o processo de mistura e integração dos dois materiais sólidos utilizados neste desenvolvimento, uma estratégia original foi o uso de moinho planetário de bolas de alta energia. Uma melhor dispersão dos nanomateriais no FBE pode ser obtida aplicando-se rotações superiores durante o processo de mistura. A Figura 7 mostra fotos das dispersões obtidas em moinho de bolas de alta energia (rotação 2000 rpm), no qual não se observa a presença de aglomerados dos nanomateriais (na magnificação avaliada) em comparação com a mistura feita em um moinho convencional a 230 rpm, essas imagens são do revestimento sobre o aço após a cura do compósito.

A presente tecnologia pretende solucionar as dificuldades de integração de óxido de grafeno reduzido em FBE, o que permite sua aplicação em revestimentos de substratos metálicos com melhor desempenho mecânico e resistência química à corrosão. O processo de integração dos materiais sólidos com moagem de alta energia envolve um curto tempo de mistura em moinho planetário de bolas ou moinho planetário de bolas de alta energia, garantindo elevada uniformidade dos aditivos adicionados à matriz polimérica. Os resultados do presente estudo foram objeto de um depósito de patente pelo CTNano/UFMG na parceria com a empresa Vallourec devido a tecnologia proposta apresentar um método eficaz de mistura e integração de rGO em matriz epóxi FBE que não é reportado no estado da técnica [31].

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro recebido e à empresa Vallourec pelo fornecimento de substratos metálicos e do FBE.

Referências bibliográficas

[1] Yaacoubi S, el Mountassir M, Ferrari M and Dahmene F 2019

Measurement investigations in tubular structures health monitoring via ultrasonic guided waves: A case of study Measurement 147 106800

[2] Li X, Zhang L, Khan F and Han Z 2021 A data-driven corrosion prediction model to support digitization of subsea operations

Process Safety and Environmental Protection 153 413–21

[3] Ma H, Zhang W, Wang Y, Ai Y and Zheng W 2023 Advances in corrosion growth modeling for oil and gas pipelines: A review

Figura 7. Imagens obtidas em microscópio estereoscópico ou lupa microscópica da superfície dos revestimentos compósitos preparados a partir da dispersão de rGO em FBE, em duas rotações (230 rpm e 2000 rpm), com adição de A) 0,1%; B) 0,3%; C) 0,5% e D) 1,0%.

Process Safety and Environmental Protection 171 71–86

[4] Oliveira D F de, Silva C G da and Cardoso S P 2018 Environmentally safe corrosion inhibitor: evaluating extracts of Plectranthus barbatus Andrews Research, Society and Development 7 3712479–3712479

[5] Ammirati A C and Do Nascimento C C F 2022 Uso sustentável de extratos de origem animal e vegetal como aditivos para prevenção à corrosão da cadeia de fertilizantes Matéria (Rio de Janeiro) 27 202144965

[6] Figueredo A K M, Coelho D G, Miranda P P, de Souza Junior M B, Frutuoso e Melo P F F and Vaz Junior C A 2023 Subsea pipelines incidents prevention: A case study in Brazil J Loss Prev Process Ind 83 105007

[7] Aljeaban N A, Goni L K M O, Alharbi B G, Jafar M A, Ali S A, Chen T, Quraishi M A and Al-Muallem H A 2020 Polymers Decorated with Functional Motifs for Mitigation of Steel Corrosion: An Overview Int J Polym Sci 2020

[8] Feng C, Zhu L, Cao Y, Di Y, … Z Y-Int J E and 2018 undefined 2018 Performance of coating based on APTMS/GO/Epoxy composite for corrosion protection of steel Int. J. Electrochem. Sci. 13 8827–37

[9] Kehr J A and Enos D G 2000 FBE, a Foundation for Pipeline Corrosion Coatings Corrosion NACE-00757

[10] Malik A U, Andijani I, Ahmed S and Al-Muaili F 2002 Corrosion and mechanical behavior of fusion bonded epoxy (FBE) in aqueous media Desalination 150 247–54

[11] Nayyar M L, Fellow P E A, Nayyar M L, King R C, Crocker S, San N Y, Washington F, Auckland Bogotá D C, Lisbon C, Madrid L, City M, New M M, San D and Singapore J 1976 PIPING

HANDBOOK Seventh Edition MCGRAW-HILL

[12] Leidheiser H, Wang W and Igetoft L 1983 The mechanism for the cathodic delamination of organic coatings from a metal surface Prog Org Coat 11 19–40

[13] Mahdavi F, Forsyth M and Tan M Y J 2017 Techniques for testing and monitoring the cathodic disbondment of organic coatings: An overview of major obstacles and innovations Prog Org Coat 105 163–75

[14] Doğru Mert B 2016 Corrosion protection of aluminum by electrochemically synthesized composite organic coating Corros Sci 103 88–94

[15] Jiang M Y, Wu L K, Hu J M and Zhang J Q 2015 Silane-incorporated epoxy coatings on aluminum alloy (AA2024). Part 1: Improved corrosion performance Corros Sci 92 118–26

[16] Jiang M Y, Wu L K, Hu J M and Zhang J Q 2015 Silane-incorporated epoxy coatings on aluminum alloy (AA2024). Part 2: Mechanistic investigations Corros Sci 92 127–35

[17] Ramezanzadeh B, Niroumandrad S, Ahmadi A, Mahdavian M and Mohamadzadeh Moghadam M H 2016 Enhancement of barrier and corrosion protection performance of an epoxy coating through wet transfer of amino functionalized graphene oxide Corros Sci 103 283–304

[18] Bo Z, Shuai X, Mao S, Yang H, Qian J, Chen J, Yan J and Cen K 2014 Green preparation of reduced graphene oxide for sensing and energy storage applications Sci Rep 4

[19] Stankovich S, Dikin D A, Dommett G H B, Kohlhaas K M, Zimney E J, Stach E A, Piner R D, Nguyen S B T and Ruoff R S 2006 Graphene-based composite materials Nature 2006 442:7100 442 282–6

[20] Qiu Y, Guo F, Hurt R and Külaots I 2014 Explosive thermal reduction of graphene oxide-based materials: Mechanism and safety implications Carbon N Y 72 215–23

[21] Sengupta I, Chakraborty S, Talukdar M, Pal S K and Chakraborty S 2018 Thermal reduction of graphene oxide: How temperature influences purity J Mater Res 33 4113–22

[22] da S. Medeiros F, Cury C S R, de Vasconcelos C K B and Silva G G 2022 Reduced graphene oxide as an adhesion enhancer of fusion-bonded epoxy coatings Prog Org Coat 171 107057

[23] Yang C, Han Q, Wang A, Han W, Sun L and Yang L 2021 Study on diffusion mechanism and failure behavior of epoxy coatings focusing on synergistic effect of temperature and water molecules https://doi.org/10.1080/15685551.2021.1904581 24 73–88

[24] Ramezanzadeh B and Rostami M 2017 The effect of cerium-based conversion treatment on the cathodic delamination and corrosion protection performance of carbon steel-fusion-bonded epoxy coating systems Appl Surf Sci 392 1004–16

[25] Rakitin A R and Kichigin V I 2009 Electrochemical study of calcium carbonate deposition on iron. Effect of the anion Electrochim Acta 54 2647–54

[26] Rocca E, Faiz H, Dillmann P, Neff D and Mirambet F 2019 Electrochemical behavior of thick rust layers on steel artefact: Mechanism of corrosion inhibition Electrochim Acta 316 219–27

[27] Fabbricino M and Korshin G V. 2014 Changes of the corrosion potential of iron in stagnation and flow conditions and their relationship with metal release Water Res 62 136–46

[28] Ferreira F v., Brito F S, Franceschi W, Simonetti E A N, Cividanes L S, Chipara M and Lozano K 2018 Functionalized graphene oxide as reinforcement in epoxy based nanocomposites Surfaces and Interfaces 10 100–9

[29] Delogu F, Gorrasi G and Sorrentino A 2017 Fabrication of polymer nanocomposites via ball milling: Present status and future perspectives Prog Mater Sci 86 75–126

[30] Shin H, Lee S, Suk Jung H and Kim J B 2013 Effect of ball size and powder loading on the milling efficiency of a laboratory-scale wet ball mill Ceram Int 39 8963–8

[31] Medeiros F D S, De Castro V G, Silva G G and Cury C S R 2020 Process for incorporation of carbon nanomaterials into a solid phase FBE polymeric matrix, product and use.

BR1020200153420

Felipe da Silva Medeiros e Glaura Goulart Silva, Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno, Universidade Federal de Minas Gerais (CTNano/UFMG), Belo Horizonte, MG, CEP 30.270-901, Brasil (glaura.silva@ctnano.org)

PRIMEIRA REUNIÃO DO FÓRUM

GRAFENO DO ANO DE 2023 COLOCA

O BRASIL COMO PROTAGONISTA NA DISCUSSÃO SOBRE O USO DO GRAFENO

PELA INDÚSTRIA BRASILEIRA DE ALTA COMPLEXIDADE TECNOLÓGICA

Foi realizada na sexta-feira (24/03/2023), com transmissão online, a primeira reunião do ano de 2023 do “Fórum Grafeno” iniciativa do Inmetro, onde um grupo de trabalho formado por especialistas brasileiros na temática “grafeno” se reuniram para discutir e propor soluções tecnológicas baseadas em aspectos metrológicos, que viabilizarão a ampla produção e comercialização do grafeno e derivados pela indústria brasileira. Como já se sabe, o grafeno é um dos materiais mais pesquisados do mundo e irá revolucionar a indústria de produtos de alta complexidade tecnológica nos próximos anos. O encontro representa um marco para o país, com impacto em diversos setores da indústria brasileira, que hoje conta com apoio do Inmetro para utilização do material em seus produtos. Joyce Araujo, pesquisadora da Divisão de Metrologia de Materiais, do Inmetro, abriu as manhãs de discussão, que reuniu diversos players do mercado, entre empresários, academia e cientistas e estudiosos. “A discussão é importante para propiciarmos a confiança que as empresas e indústria precisam, a começar pela normalização, e seguirmos com a agenda do grafeno, como a caracterização e as questões tarifárias”, comentou.

Durante o encontro, tivemos apresentações que mostraram os principais avanços obtidos no primeiro do ano de existência do Fórum Grafeno. Abaixo segue um resumo das apresentações:

Diego Piazza, da UCS Graphene, apresentou os “Aspectos tributários envolvendo a comercialização de produtos à base de grafeno”, em que ele expôs detalhadamente o percurso para viabilizar a comercialização dos produtos à base de grafeno dentro de bases tributárias seguras. “Os derivados de grafeno são passíveis de tributação sendo classificados como grafite artificial, desde que esteja em sua forma majoritária como matéria prima”, comentou. Ainda segundo ele, o trabalho à frente consiste em preencher os formulários contendo o volume de produção e números financeiros que justifiquem a criação de um novo código NCM (Nomenclatura Comum do Mercosul).

Segundo Marco Colósio, da General Motors, o Brasil tem a oportunidade de liderar uma discussão global, que já é muito forte na Inglaterra e começa a ganhar corpo na China, e ter um

diferencial competitivo internacional em temos da criação de um ciclo de validação e controle de qualidade dos produtos contendo grafeno. Frisou também que é importante mapear as empresas que já utilizam grafeno no Brasil.

Primeira norma em 2023 – Pesquisador do Inmetro, Erlon Ferreira traçou um panorama da normalização no país, e destacou a importância da primeira norma brasileira sobre caracterização de grafeno (ABNT ISO/TS 21356-1), publicada em 2023 pelo Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), um passo importante pra a homologação de produtos à base de grafeno. Foram discutidas ainda, a “Rede de apoio em inovação para produção e controle de qualidade industrial em aplicações de grafeno”, por Oleksii Kuznetsov e “Metrologia de grafenos para a indústria”, apresentação de Luis Gustavo Cançado (UFMG) e Cassiano Rabelo (FabNS).

Foi apresentada ainda uma iniciativa inovadora, a “Fabricação de um resistor padrão a partir de masterbatches poliméricos baseados em grafeno e nanotubos de carbono aplicados a dispositivos e sensores de termoplásticos, termofixos e elastômeros”, por Claudemir Gracino, da Skintech Tecnologia & Comércio Ltda.

Por fim, foi apresentado o Projeto Inova Grafeno, pela idealizadora do Fórum Grafeno Joyce Araujo, que prevê o ‘Desenvolvimento de material de referência de óxido de grafeno para certificação de produtos industriais’.

Após as apresentações definiu-se um calendário de reuniões on-line para o ano de 2023 e um evento presencial que ocorrerá no SENAI-Centro de Materiais Avançados em Novembro de 2023. Com essa agenda de eventos pretende-se estreitar a comunicação entre os representantes da “agenda” proposta pelo Fórum Grafeno e avançar na viabilização da “Rede de apoio em inovação para produção e controle de qualidade industrial em aplicações de grafeno”.

Como objetivo da rede pode se colocar: Produzir/induzir inovações no tema grafeno visando o alcance de objetivos estratégicos de políticas públicas industriais relacio-

Inmetro amplia debate e Grupo de Trabalho apresenta importantes avanços

nadas ao tema.

Como objetivos específicos tem-se a especificação, criação e suporte a demandas por inovação, sendo as principais:

1. introdução da inovação no mercado (novos produtos);

2. promoção da escalada da inovação (entrada de produtos no mercado existente);

3. consolidação de inovações (ou de mercado) via padronização de aspectos relacionados aos produtos/processos;

4. estímulo ao abandono de tecnologias obsoletas.

Papel do INMETRO:

Centro de competência para atuar em:

1. Criação e manutenção de infraestrutura de qualidade focada no objetivo:

• Prover as ferramentas metrológicas da plataforma: laboratórios ou redes de laboratórios (acreditados, com SGQ implantada ou em processo de implantação)

• Fornecer a base metrológica primária e sua disseminação: referências/padrões, métodos, instrumentação primária

• Disponibilizar o aparato digital de operação (bancos de dados, certificação digital e outras facilidades digitais)

2. Ser o gestor da plataforma.

Diferencial:

1. Plataforma aberta (adesão voluntária e gratuita);

2. Um maior fluxo de informações entre os usuários da plataforma a) estruturação das demandas reais versus capacidades reais b) suprimento de déficit de informação sobre as demandas futuras;

3. Indutivo em relação ao aumento de dispêndios de P&D de empresas, ICT’s e laboratórios (atrair linhas de financiamento existentes);

4. Política de escolha de inovação pela sua importância para atores;

5. Analítica de dados e informações na plataforma;

6. Tratamento personalizado de setores e projetos;

7. Mecanismo de validação voluntária das informações específicas;

8. Auto evolutivo;

Segue abaixo a proposta de diagrama relacional mostrando as possíveis sinergias e futuras parcerias a serem consolidadas entre os players do grafeno reunidos através do “Fórum Grafeno”.